CN102946121B - 一种适用于有源被试系统的phil接口系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于有源被试系统的PHIL接口系统，用于虚拟电力系统和有源被试系统的连接，所述的接口系统包括前向驱动单元、反馈单元和信号观测单元，所述的前向驱动单元分别连接虚拟电力系统和有源被试系统，所述的反馈单元分别连接有源被试系统和信号观测单元；虚拟电力系统向前向驱动单元传输电压和功率信息，前向驱动单元将电压和功率信息放大后传输给有源被试系统，反馈单元实时获取并跟踪有源被试系统的动态信息并将该信息传输给信号观测单元，信号观测单元根据接收到的信息显示有源被试系统在虚拟电力系统下的响应。与现有技术相比，本发明具有可灵活调整接口参数、仿真效果好、适用于有源被试系统等优点。

Description

一种适用于有源被试系统的PHIL接口系统

技术领域

本发明涉及电力系统仿真中的接口技术领域，尤其是涉及一种适用于有源被试系统的PHIL接口系统。

背景技术

在现代电力系统理论研究和装备研发中，数字物理混合仿真得到越发广泛的应用。数字物理混合仿真又称硬件在环仿真(Hardware-in-the-loop，HIL)，这种方法将实际的物理装置或系统(Hardware under test，HUT)置于由实时数字仿真系统建立的虚拟电力系统(Virtuai Electrical System，VES)中进行闭环仿真。

HIL系统分为信号型混合仿真(Control Hardware-in-the-Loop，CHIL)与功率连接型混合仿真(Power Hardware-in-the--loop，PHIL)。其中，CHIL指数字仿真系统与HUT之间只传输低功率的控制信号。此时HUT一般为保护、控制装置等。与CHIL传输控制信号对应的，PHIL指数字仿真系统与HUT之间需要交换真实的物理功率，此时需要由四象限功率变换装置、互感器等物理装置构成接口模块。

PHIL系统由数字VES子系统、HUT子系统以及接口子系统等构成。其原理图见图1。VES子系统运行于实时数字仿真器。在一个仿真步长内(约50-60μs)，数字仿真器需要完成采集外部信号、实时求解模型、对物理装置执行激励、控制等功能，目前主流的实时数字仿真器是RTDS(Real time digital simulator)。HUT子系统是指被试的物理装置或系统。HUT子系统既可能是无源的，也可能是有源的。接口子系统用于连接数字的VES子系统和物理的HUT子系统，以实现交换控制信号和传输能量。接口子系统由接口硬件和接口算法两部分组成。其中，接口硬件包括四象限功率放大器、互感器等物理装置，功率放大器一般采用大功率电压源变换器(Voltage Source Convertor，VSC)。电流互感器(CT)、电压互感器(PT)采集HUT侧的电压与电流后，反馈到实时数字仿真系统中，以求解系统下一个仿真步长的状态。在CT、PT后加入后置低通滤波器以滤除由功率放大器和有源型HUT产生的高次谐波。

对PHIL技术开展研究的意义至少体现在两方面。其一，智能电网发展中涌现了大量新能源发电和储能技术，但目前对这些新设备的物理特性和数学模型研究尚不充分，难以建立其准确的数字仿真模型。利用PHIL技术，可将其以物理系统接入到由实时数字仿真技术模拟的电力系统中，这样有利于研究它们的物理特性。其二，在PHIL系统中，通过配置大容量的功率变换装置，可以构成强大的硬件测试平台。由于数字仿真可以建立较为真实的电力系统运行环境，并能够灵活模拟诸如故障、振荡、电压跌落等极端情况，使得装置在投入现场实际运行前得到充分的测试，所以PHIL技术在未来智能电网研究中将发挥重要作用。

由于具有上述优点，PHIL是目前研究的热点，引起了人们的广泛关注。然而，应用PHIL时会面临许多新的问题。

PHIL系统的接口单元中包含大容量的功率变换装置，其引入的延迟与噪声会对闭环仿真系统的稳定性与精确性产生严重影响。通过选择合适的接口算法，可以显著地提高PHIL系统的稳定性和精确性，因此对接口算法的研究成为PHIL研究中的关键问题。IEEE于2009年专门成立工作组对接口问题进行了研究。PHIL常用的5种接口模型，包括理想变压器(ITM)、时变一阶R-L模型近似(TFA)、输电线路解耦(TLM)、部分电路复制松弛解耦(PCD)、阻尼阻抗(DIM)等。这些接口算法各有特点，其中ITM法提出最早，原理直观且易于实现，在实践中应用最为广泛，其特点是带有源负载能力较强。时变一阶R-L模型近似(TFA)稳定性较差，一般较少采用。PCD方法虽然能够保证系统稳定运行，但其仿真精度不如ITM及DIM接口。TLM方法需要虚拟一条输电线路也限制其应用。DIM方法在VES侧具有较高的精度，在简化为SDIM接口后响应具有“透明性”，但其前提是VES的阻尼阻抗必须与HUT侧负载阻抗匹配。

目前现存接口算法存在的共性问题是：

1)现存接口不能根据HUT的动态信息灵活调整接口参数以改善仿真效果；

2)当HUT有源时，不存在一种接口能够同时确保VES与HUT的仿真精度并兼顾仿真稳定性的要求，这难以适应微网等有源型HUT的研究与试验需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可灵活调整接口参数、仿真精度高的适用于有源被试系统的PHIL接口系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种适用于有源被试系统的PHIL接口系统，用于虚拟电力系统和有源被试系统的连接，所述的接口系统包括前向驱动单元、反馈单元和信号观测单元，所述的前向驱动单元分别连接虚拟电力系统和有源被试系统，所述的反馈单元分别连接有源被试系统和信号观测单元；

虚拟电力系统向前向驱动单元传输电压和功率信息，前向驱动单元将电压和功率信息放大后传输给有源被试系统，反馈单元实时获取并跟踪有源被试系统的动态信息并将该信息传输给信号观测单元，信号观测单元根据接收到的信息显示有源被试系统在虚拟电力系统下的响应。

所述的前向驱动单元包括理想变压器模型和四象限功率放大器。

所述的前向驱动单元的传递函数为

$G_{\mathrm{ITM}}=\frac{Z_a}{Z_b}{e}^{-\mathrm{s\Δt}}$

其中，Z_a为虚拟电力系统侧的戴维南等效阻抗，Z_b为有源被试系统侧的戴维南等效阻抗，且Δt为接口延时。

所述的反馈单元包括电压互感器、电流互感器、阻抗测量模块和阻抗匹配模块，所述的电压互感器和电流互感器均分别连接有源被试系统和阻抗测量模块，所述的阻抗测量模块与阻抗匹配模块连接；

电压互感器和电流互感器实时采集有源被试系统的电压和电流信息并传输给阻抗测量模块，阻抗测量模块通过PMU算法计算当前有源被试系统的实时阻抗值，并将计算出的阻抗值提供给阻抗匹配模块进行阻抗匹配跟踪。

所述的计算当前有源被试系统的实时阻抗值的步骤为：

1)将实时采集有源被试系统的电压和电流信息进行全周离散傅里叶变换，得到电压相量和电流相量

2)全周离散傅里叶变换时间窗经过2个仿真步长移动后，得到另一组电压相量和电流相量

3)根据如下公式计算实时阻抗的幅值和相角：

所述的阻抗匹配模块包括电阻和电感。

所述的信号观测单元由简化阻尼阻抗(SDIM)接口模块组成，信号观测单元的传递函数为：

$G_{\mathrm{SDIM}}=\frac{Z_a(Z_b-Z^{*})}{Z_b(Z_a+Z^{*})}{e}^{-\mathrm{s\Δt}}$

其中，Z^*为阻尼阻抗接口模块的阻尼阻抗。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明设计了实时阻抗跟踪模块，解决了有源被试系统的阻抗跟踪与匹配问题，本发明能根据HUT的动态信息灵活调整接口参数以改善仿真效果，提高仿真精度；

2)本发明将简化阻尼阻抗接口SDIM和ITM混合，由ITM接口构成前向驱动器，由SDIM接口构成反向观测器，兼顾了数字仿真和物理模拟的精确性，能够适应微网等有源型HUT的研究与试验需求。

附图说明

图1为PHIL系统的结构示意图；

图2为本发明接口系统的原理图；

图3为本发明前向驱动单元的原理图；

图4为实施例模型示意图；

图5为VES侧电压响应示意图；

图6为VES侧电流响应示意图；

图7为HUT侧电压响应示意图；

图8为HUT侧电流响应示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种适用于有源被试系统的PHIL接口系统，用于虚拟电力系统(VES)和有源被试系统(HUT)的连接，利用ITM接口实现前向驱动回路，并通过四象限功率放大器拖动被试装置，利用电压、电流互感器采集反馈状态，并通过阻抗匹配的SDIM接口实现反馈通道并构成系统观测器，观察被试装置在电力系统中的响应。本接口系统充分发挥ITM接口、SDIM接口各自的特点，通过阻抗测量算法实现阻抗匹配，使得在数字仿真侧与实际装置侧的仿真精度大为提高。

如图2所示，本实施例适用于有源被试系统的PHIL接口系统包括前向驱动单元、反馈单元和信号观测单元，所述的前向驱动单元分别连接虚拟电力系统和有源被试系统，所述的反馈单元分别连接有源被试系统和信号观测单元；虚拟电力系统向前向驱动单元传输电压和功率信息，前向驱动单元将电压和功率信息放大后传输给有源被试系统，反馈单元实时获取并跟踪有源被试系统的动态信息并将该信息传输给信号观测单元，信号观测单元根据接收到的信息显示有源被试系统在虚拟电力系统下的响应。

1)前向驱动单元

如图2-图3所示，前向驱动单元包括数字电力系统中的理想变压器模型ITM和四象限功率放大器。ITM接口的理论依据是电路的替代定理，普适于线性电路和非线性电路。

所述的前向驱动单元的传递函数为

$G_{\mathrm{ITM}}=\frac{Z_a}{Z_b}{e}^{-\mathrm{s\Δt}}$

其中，Z_a为虚拟电力系统侧的戴维南等效阻抗，Z_b为有源被试系统侧的戴维南等效阻抗，且Δt为接口延时，包括前向通道中电压功率放大器的延时以及反向通道中A/D变换、低通滤波器的延时。

2)反馈单元

反馈单元包括电压互感器、电流互感器、阻抗测量模块和阻抗匹配模块，所述的电压互感器和电流互感器均分别连接有源被试系统和阻抗测量模块，所述的阻抗测量模块与阻抗匹配模块连接；电压互感器和电流互感器实时采集有源被试系统的电压和电流信息并传输给阻抗测量模块，阻抗测量模块通过PMU算法计算当前有源被试系统的实时阻抗值，并将计算出的阻抗值提供给阻抗匹配模块进行阻抗匹配跟踪。

所述的计算当前有源被试系统的实时阻抗值的步骤为：将实时采集有源被试系统的电压和电流信息进行全周离散傅里叶变换(DFT)，得到电压相量和电流相量全周离散傅里叶变换时间窗经过2个仿真步长移动后，得到另一组电压相量和电流相量根据如下公式计算实时阻抗的幅值和相角：

当采用PMU获取相量时，计算周期为10～20ms。如果利用RTDS仿真VES，相邻两次相量的计算间隔为2个仿真步长，约为100us，对于50Hz系统，相角变化约为1.8度。在这样短的间隔内，母线电压基本满足幅值、相角保持不变的假设。为了解决系统扰动较小时阻抗测量的数值稳定性问题，可以主动地在VES子系统中产生一个扰动。阻抗测量模块可利用PMU数据可以在1-2个周波内测量系统的戴维南等效阻抗值。

所述的阻抗匹配模块实现了在各个频率成分上的阻抗匹配，可由实时阻抗的幅值和相角进一步计算出电阻R及电感L，并利用数字仿真元器件构成本模块。

3)信号观测单元

信号观测单元读取阻抗测量单元的计算数据，并利用阻抗匹配单元实现阻抗匹配。用户通过信号观测单元观测被试装置在虚拟电力系统中的响应。信号观测单元由简化阻尼阻抗接口(SDIM)模块组成，信号观测单元的传递函数为：

$G_{\mathrm{SDIM}}=\frac{Z_a(Z_b-Z^{*})}{Z_b(Z_a+Z^{*})}{e}^{-\mathrm{s\Δt}}$

其中，Z_a为虚拟电力系统侧的戴维南等效阻抗，Z_b为有源被试系统侧的戴维南等效阻抗，Z^*为阻尼阻抗接口模块的阻尼阻抗，其阻值的大小受阻抗测量模块的计算结果控制，并由阻抗匹配模块实现阻抗跟踪。

信号观测单元中设有等效的受控电压源和受控电流源。受控电压源与受控电流源交汇节点的节点电压及VES侧的回路电流即被试装置在VES侧的响应。

将适用于有源被试系统的PHIL接口系统进行仿真。在实时数字仿真系统中同时建立两套相同的VES子系统(以下称为VES1、VES2)，但分别采用ITM接口和SDIM接口。在进行闭环仿真时，VES1、VES2具有相同的初始状态。随着仿真的进行，由于采用不同的接口算法，VES1、VES2的响应将逐渐不同。物理被试系统只由VES子系统通过ITM接口进行激励，组成前向驱动单元。而数字仿真结果则只取自采用SDIM接口的VES2子系统，组成信号观测单元。上述两个VES子系统共用传感器以完成模拟量的采集。其中，VES1仅用到电流信息，而VES2还同时用到电压信息，以实现电压、电流的反馈，同时完成对HUT子系统中Z_b的动态测量与跟踪。

由于在由VES1-ITM-HUT构成的混合仿真系统中采用了ITM接口，可以得到更为精确的物理模拟结果；由于在由VES2-SDIM-HUT构成的混合仿真系统中采用了SDIM接口，使得当满足阻抗匹配条件Z^*＝Z_b时，数字仿真结果不受接口延迟的影响，即所谓的“接口透明特性”。

VES子系统运行于实时数字仿真器RTDS中。在一个仿真步长内(约50-60μs)，数字仿真器需要完成采集外部信号、实时求解模型、对物理装置执行激励、控制等功能。根据图3所示的前向驱动单元原理图，利用受控电流源等效替代被试装置。将受控电流源两侧电源的电压信号通过RTDS的GTAO卡输出，并通过四象限功率放大器放大后通过导线接在实际被试装置两端。所述的四象限功率放大器一般采用大功率电压源变换器(Voltage Source Convertor VSC)，本实施例中将其抽象成受控电压源与延迟环节的组合。

电流互感器(CT)、电压互感器(PT)采集HUT侧实际的电压与电流后，通过RTDS的GTAI卡反馈到实时数字仿真系统中，以求解系统下一个仿真步长的状态。在CT、PT后加入后置低通滤波器以滤除由功率放大器和有源型HUT产生的高次谐波。

本接口系统有三处需要使用到反馈信号：

1)前向驱动单元中的受控电流源受反馈电流控制。

2)反馈单元中的阻抗测量模块需要CT、PT的测量值计算负载阻抗。

3)信号观测单元中的受控电压源受反馈电压控制，受控电流源受反馈电流控制。

根据反馈单元的阻抗测量原理用基本数学运算元件在模型中构成阻抗测量单元。所述的阻抗测量单元利用反馈电压及反馈电流用以计算当前动态负荷的实时阻抗。RTDS提供的可控R-L支路模型rtds-sharcu-VARL实现阻抗匹配模块。

本实施例VES侧的模型及HUT侧模型见图4，HUT侧为有源负载，其中元件参数的取值如下表所示。

表1参数选取

VES侧电源含有基波与三次谐波，HUT侧含源并带R-L负载。接口单元的延迟设为1ms。

选择基波幅值及相位两个指标来评价仿真的精度。设参考系统的稳态响应为及混合仿真系统的稳态响应为及以(U-U₀)/U₀评价幅值精度，以评价相位精度。

使用所述的指标评价ITM、SDIM、SDIM-ITM等接口的稳态响应精度，结果如下表所示。

表2各接口仿真精度对比

ITM、SDIM、SDIM-ITM等三种接口对应的VES侧电压、电流响应如图5-图6所示，HUT侧电压、电流响应如图7-图8所示。图中曲线Reference为参考系统的响应。

分析数据与波形图可以得到如下结论：

1)在VES侧，本发明接口的响应与SDIM的响应相同。通过动态阻抗测量，在实现阻抗匹配的情况下，其VES子系统的电压、电流响应不受接口延迟以及HUT是否有源的影响，接口具有“透明性”，这充分发挥了SDIM的优点。

2)在HUT侧，当负载有源时，本发明接口发挥了ITM带有源负载能力强的特点，幅值畸变显著小于SDIM接口，因此本发明接口弥补了SDIM接口在HUT畸变大的缺陷。

采用本发明提出的SDIM-ITM接口系统，兼顾了SDIM及ITM接口的优点，提高了整个数字物理混合仿真系统的仿真精度，并适合有源、无源负载的情形。

Claims (6)

1.一种适用于有源被试系统的PHIL接口系统，用于虚拟电力系统和有源被试系统的连接，其特征在于，所述的接口系统包括前向驱动单元、反馈单元和信号观测单元，所述的前向驱动单元分别连接虚拟电力系统和有源被试系统，所述的反馈单元分别连接有源被试系统和信号观测单元；

虚拟电力系统向前向驱动单元传输电压和功率信息，前向驱动单元将电压和功率信息放大后传输给有源被试系统，反馈单元实时获取并跟踪有源被试系统的动态信息并将该信息传输给信号观测单元，信号观测单元根据接收到的信息显示有源被试系统在虚拟电力系统下的响应；

所述的反馈单元包括电压互感器、电流互感器、阻抗测量模块和阻抗匹配模块，所述的电压互感器和电流互感器均分别连接有源被试系统和阻抗测量模块，所述的阻抗测量模块与阻抗匹配模块连接；

电压互感器和电流互感器实时采集有源被试系统的电压和电流信息并传输给阻抗测量模块，阻抗测量模块通过PMU算法计算当前有源被试系统的实时阻抗值，并将计算出的阻抗值提供给阻抗匹配模块进行阻抗匹配跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种适用于有源被试系统的PHIL接口系统，其特征在于，所述的前向驱动单元包括理想变压器模型和四象限功率放大器。

3.根据权利要求1所述的一种适用于有源被试系统的PHIL接口系统，其特征在于，所述的前向驱动单元的传递函数为

$G_{L\_\mathrm{ITM}}=\frac{Z_a}{Z_b}{e}^{-\mathrm{s\Δt}}$

其中，Z_a为虚拟电力系统侧的戴维南等效阻抗，Z_b为有源被试系统侧的戴维南等效阻抗，且Δt为接口延时。

4.根据权利要求1所述的一种适用于有源被试系统的PHIL接口系统，其特征在于，所述的计算当前有源被试系统的实时阻抗值的步骤为：

1)将实时采集有源被试系统的电压和电流信息进行全周离散傅里叶变换，得到电压相量和电流相量

2)全周离散傅里叶变换时间窗经过2个仿真步长移动后，得到另一组电压相量和电流相量

3)根据如下公式计算实时阻抗的幅值和相角：

5.根据权利要求1所述的一种适用于有源被试系统的PHIL接口系统，其特征在于，所述的阻抗匹配模块包括电阻和电感。

6.根据权利要求3所述的一种适用于有源被试系统的PHIL接口系统，其特征在于，所述的信号观测单元由简化阻尼阻抗接口模块组成，信号观测单元的传递函数为：

$G_{\mathrm{SDIM}}=\frac{Z_a(Z_b-Z^{*})}{Z_b(Z_a+Z^{*})}{e}^{-\mathrm{s\Δt}}$

其中，Z^*为阻尼阻抗接口模块的阻尼阻抗。